大尺寸TFT-LCD的LED背光技术

摘要： 传统的薄膜晶体管液晶显示器（ thin film transister crystal display,TFT- LCD） 通常采用冷阴极荧光灯（ cold cathode fluorescent lamps,CCFL） 作为背光光源。相比较而言， 由于发光二极管（ LED） TFT- LCD 背光源系统具有色彩还原性好、对比度高、亮度高等优点， 近年来应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技术取得了长足的进步。当前应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光源主要有两种： RGB LED 背光源和白光LED 背光源。大尺寸的LED 背光系统结构主要采用直下式和侧式结构。本文将对这几方面进行系统阐述， 并对大尺寸TFT- LCD 的LED 背光系统的应用前景进行预测。

1 前言

LCD 是被动发光器件， 本身是不发光的， 因此必须要有背光模块给LCD 提供光源。用来作为背光模块的光源有以下几种：

（1）冷阴极荧光灯；

（2）LED 背光；

（3）电致发光背光。

其中， EL 背光系统由于在工作过程中亮度会逐渐衰减， 限制了它的运用， 现在主要用于中小型的LCD上。CCFL 背光系统由于其体积小、寿命长、亮度高和工作电流低等优点， 是当前LCD 背光系统的主要选择；LED 背光系统则由于发光功率比较低， 长期以来只能应用在小尺寸的LCD 当中。然而， 由于LED 背光系统本身具有CCFL 无法比拟的优点， 比如： 色彩还原好、省电、寿命长； 另外由于LED 背光不含汞蒸汽， 对环境的污染也少， 加上大功率LED 的出现， 使LED 背光成为最近显示界的一个热门研究课题， 尤其是LED 背光的色彩还原性， 文献报道称其可以达到NTSC 的105%，而一般的CCFL 背光则只能达到NTSC 的70%, 如图1 所示。

图1 LED 和CCFL 的色域图

因此利用LED 作为LCD 的背光， 色彩将更加鲜艳。鉴于LED 背光技术的诸多优点， 在过去的几年中，已经有许多公司和研究机构报道了各种高亮度的LED应用于大尺寸TFT- LCD 的LED 背光技术。

2 LED 背光技术

LED 背光技术主要分为直下式背光结构和侧式背光结构两种， 直下式背光由许多LED 均匀分布在显示区域后面， 加上反射腔和扩散膜等共同作用， 得到亮度均匀的平面发光效果； 侧式背光则由多个LED 排成一排形成线光源， 经过导光体、反射膜、扩散膜形成均匀发光面。以前由于单个LED 的功率比较低， 如果要将LED 用于大尺寸的LCD, 需要很多LED 才能达到要求的亮度。近几年来， 由于大功率LED 的出现， LED背光在大尺寸TFT- LCD 中的运用取得了长足的进步， 其中大部分都是采用侧式结构。按照LED 的颜色可以分为RGB LED 背光和白光LED 背光两种：

（ 1） RGB LED 背光单元是将三基色LED 发出的光复合产生白光；（ 2） 白光LED 背光单元则直接利用白光LED 产生的白光。

2.1 大功率RGB LED 复合成白光

图2 是2001 年荷兰飞利浦照明系统公司开发的利用RGB 复合成白光的18in 背光系统的示意图。

图2 18inTFT- LCD LED 背光模组结构图

该背光单元中， 上下两侧有两列LED（ LEDs A 和LEDs B） , RGB LED 是按照等间隔排列的。RGB LED发出的光从侧边经过两个导光腔（ light pipe A、B） 传播到LCD 面板的底下， 经过特征提取（ extractionfeatures A 和B） 以及散射膜（ diffusor sheet） 得到均匀白光。

同年， 日本Hideyo Ohtsuki 和荷兰LumiledsLighting 公司利用大功率RGB LED 加上高渗透型的彩膜（ color filter） 开发出应用于18.1in XGATFT- LCD的背光单元， 其色彩还原性和亮度分别达到了95% 和400 cd/m2，之后在2003 年， 荷兰的这家公司利用34个大功率的RGB LED 作为光源， 采用PMMA 作为混色导光板的材料---这种材料可以使光在导光板传播过程中的损耗几乎为0, 开发出用在15in 的TFT- LCD 的背光系统， 其效率达到50%, 色坐标稳定在Δu'v'~0.01, 而且该背光系统很容易改造成适用于10in 以下和18~20in 的TFT- LCD。